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        WiFi視頻傳輸機器人的設計

        2016-05-31 17:50:43段英杰霍新宇王惠潔盧洪武
        物聯(lián)網(wǎng)技術 2016年5期
        關鍵詞:機器人傳感器

        段英杰 霍新宇 王惠潔 盧洪武

        摘 要:在礦井、火災、震災反恐等特殊環(huán)境下,人類一般無法第一時間到達現(xiàn)場,研制一款機器人代替人類探測并將圖像、視頻信息快速回傳意義重大。WiFi是一種無線局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術,憑借組網(wǎng)方便、易于擴展等特點,有著廣泛的應用前景。文中將二者結合,設計了以WiFi為數(shù)據(jù)傳輸載體,實現(xiàn)實時視頻傳輸及控制的機器人系統(tǒng)。

        關鍵詞:WiFi;機器人;傳感器;無線數(shù)據(jù)傳輸

        中圖分類號:TP242 文獻標識碼:A 文章編號:2095-1302(2016)05-00-02

        0 引 言

        在安防現(xiàn)場、礦井勘測、應急救援等特殊環(huán)境中,需要將現(xiàn)場檢測到的圖像信息及時傳遞至監(jiān)控指揮中心,由于大部分視頻監(jiān)控設備移動性差以及部分監(jiān)控現(xiàn)場存在風險性等原因,致使很多情況下實時移動監(jiān)控難以實現(xiàn)[1]。本文將Android開發(fā)與OpenWrt系統(tǒng)開發(fā)相結合,設計基于WiFi的智能視頻監(jiān)控遙控機器人,可通過手機實時收看現(xiàn)場圖像并發(fā)送控制指令,遙控機器人的運動,第一時間掌握所需要的全部視頻圖像信息,并可現(xiàn)場錄像隨時拍照[2]。

        1 系統(tǒng)總體設計

        WiFi視頻回傳機器人由履帶車體、無線路由器、攝像頭及云臺、核心控制板、機械臂及上下位機控制軟件等構成[3]??傮w設計思想是把無線路由器通過刷入開源的Openwrt系統(tǒng),使之成為一個運行于Linux系統(tǒng)的小電腦,利用WiFi的高速無線通信能力將符合H.264標準的圖像壓縮信號回傳到手機或電腦上位機上顯示,并通過上位機發(fā)送控制指令,遙控機器人的運動。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)框圖

        2 系統(tǒng)的硬件設計

        系統(tǒng)硬件由車體部分、路由器、攝像頭及云臺、核心控制板、機械臂等構成,其中核心控制板主控芯片采用MSP430F149,MSP430系列單片機是16位的RISC架構單片機,125 ns指令周期,相較于傳統(tǒng)的51單片機,數(shù)據(jù)吞吐量更大[4]。MSP430系列單片機擁有豐富的外設和接口,USART串行接口能夠完成與WiFi模塊的通信,16位定時器具有捕獲/比較功能,方便產(chǎn)生多路舵機控制信號和帶死區(qū)控制的PWM電機調(diào)速信號[5]。電路部分主要包括電源模塊、電機驅(qū)動、舵機驅(qū)動、下載串口、單片機電路、紅外壁障、車燈控制以及數(shù)據(jù)通信接口等,將電機驅(qū)動、穩(wěn)壓、紅外等集成到一起,減少PCB面積,降低成本。

        2.1 車體部分

        WiFi機器人以坦克模型作為底盤,采用履帶式,此方式抓地能力強,可以輕松越過矮小障礙,并且具有速度快、噪音低等優(yōu)點。我們在機器人上安裝了4自由度機械臂,可以前后左右上下六個方向完成各種復雜動作,排除前進障礙。車身裝配2個12 V/120轉直流電機,電池組電源12 V,可多個并聯(lián)使用,為機器人提供持久動力。

        2.2 攝像頭及云臺

        自由度攝像頭云臺水平旋轉角度為±85度,俯仰旋轉角度為-10度~+75度。攝像頭采用30萬像素的高速工業(yè)攝像頭模塊,適合動態(tài)拍攝,其接口采用USB通信協(xié)議,回傳的視頻圖像清晰,滿足設計需要。云臺由2個MG995數(shù)字舵機及其他輔助材料構成,下位機接收到控制命令,控制這兩個舵機完成攝像頭上下左右四個方向的轉動,擴大視野范圍。

        2.3 WiFi(路由)模塊

        WiFi模塊采用搭載高通AR9331芯片的普通無線路由器刷入開源的Openwrt系統(tǒng),成為一個運行Linux系統(tǒng)的小電腦,主要實現(xiàn)視頻采集、數(shù)據(jù)傳輸、轉發(fā)等功能。該模塊符合國際標準的802.11 b/g/n協(xié)議,采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基帶調(diào)制技術,能自適應路由器等設備的無線熱點,最大連接速率可達150 Mb/s。天線將傳輸線上傳播的導行波變換為在自由空間中傳輸?shù)碾姶挪ǎòl(fā)射)以及相反變換(接收)[6]。

        2.4 電機、舵機驅(qū)動模塊

        電機驅(qū)動模塊采用BTN7960B,它是一個完全集成的高電流半橋,因此采用兩片構成全橋?qū)崿F(xiàn)電機的正反轉。BTN7960B提供了一個保護高電流PWM電機驅(qū)動器的成本優(yōu)化解決方案,并且占用非常小的電路板空間。電源開關采用垂直MOS技術,確保最佳狀態(tài)阻力。圖2所示為BTN7960B與單片機組成的H電機驅(qū)動單元。

        圖2 電機驅(qū)動電路

        機械臂部位安裝MG995舵機,其內(nèi)部使用空心杯電機,金屬齒輪,雙滾珠軸承,最大扭矩為13 kg,能夠滿足機械臂的要求。舵機驅(qū)動電路使用LM2596ADJ開關型穩(wěn)壓芯片,能夠穩(wěn)定輸出3 A的負載電流,其輸出電壓可調(diào)到6 V左右,最大不能超過6.5 V。該器件集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器,允許我們使用更小尺寸的濾波器件,極大地簡化了電源電路設計[7]。同時,3 A的大電流能夠滿足多個舵機同時工作的電流需求,減少舵機間的電源干擾。在電路設計中,我們還使用了多個濾波電容,在輸入端增加了濾波電感,進一步提高電源的穩(wěn)定性。云臺舵機選用輝盛SG90舵機,響應快,其重量僅為9 g,適合云臺使用。

        3 系統(tǒng)的軟件設計

        軟件部分是機器人智能化的體現(xiàn),它控制機器人所有的運行狀態(tài),主要包括主程序設計、運動控制軟件設計、無線WiFi路由器的刷機改造、無線WiFi路由器與單片機通信協(xié)議及軟件設計、基于安卓的智能手機客戶端控制軟件設計等[8]。軟件系統(tǒng)體系結構如圖3所示。

        3.1 通信協(xié)議

        通信協(xié)議是連接上位機與下位機的紐帶,由于單字符通信方式干擾較大,故采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令,包頭用OXFF,包尾用OXFF,無校驗位。部分協(xié)議規(guī)定如表1所列。

        3.2 上位機

        上位機是發(fā)送指令的部分,它向路由器發(fā)送視頻請求,路由端的視頻處理程序會把獲取的USB攝像頭視頻傳回上位機進行解碼并顯示。

        備注:電機動作指令由于各人的接線方式不同,可能指令與動作不對應,只需要在上位機指令設置中調(diào)整指令位置即可

        上位機的編寫通過TCP/UDP等通信方式,用Socket連接把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由端[8],本設計采用Client模式,路由端是服務器模式,無需轉發(fā)操作,直接連接WiFi機器人即可操控??蛻舳塑浖腔诎沧肯到y(tǒng)的App,通過修改網(wǎng)絡開源碼的通信協(xié)議部分代碼重新編譯開發(fā)而成,再整合安卓App和底層驅(qū)動程序構建機器人軟件控制系統(tǒng),實現(xiàn)對整個機器人的實時控制[9]。上位機界面如圖4所示。

        圖4 操作終端

        3.3 下位機

        跑在單片機系統(tǒng)的程序稱為下位機,在Keil5用C語言編寫下位機程序,包括初始化、外部中斷、定時器中斷、串口中斷、PWM中斷、AD中斷等[10],其作用是接收來自上位機的數(shù)據(jù),并根據(jù)通信協(xié)議解碼分析,判斷上位機發(fā)出的是何種動作,再為單片機芯片指定引腳賦高低電平,從而實現(xiàn)控制舵機使攝像頭云臺旋轉及機械手臂轉動、電機轉向、紅外壁障、車燈控制、拍照等功能。

        4 結 語

        本文對基于安卓App遙控,以WiFi為視頻傳輸媒介的機器人的結構設計及工作原理進行了闡述,經(jīng)過實際調(diào)試運行,WiFi Robot的實際控制距離能達到10 m。WiFi機器人具有實時視頻傳輸、人工自主控制、紅外壁障等功能,而且采用WiFi自發(fā)射直接和手機通信,無需依賴公共通信網(wǎng),特別適合無網(wǎng)絡覆蓋的災難救援現(xiàn)場及偏遠地區(qū)的反恐偵察使用。

        參考文獻

        [1]王宇陽,楊奕,韓志.基于Android設備的WiFi智能監(jiān)控機器人設計[J].計算機與數(shù)字工程,2014,42(12):2410-2414.

        [2]劉啟彬.煤礦救援機器人軟件系統(tǒng)研究[D].西安:西安科技大學,2009.

        [3]張學武,何玉鈞.基于WiFi的遠程視頻傳輸智能機器人設計[J].電子科技,2013,26(2):4-7.

        [4]沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

        [5]李自珍,郭寶安.MSP430系統(tǒng)應用結構設計與選型[J].單片機與嵌人式系統(tǒng)應用,2007,7(7):11-13.

        [6]李楊.WiFi技術原理及應用研究[J].科技信息,2010(6):241.

        [7]邱關源,羅先覺.電路(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

        [8]曾彥淞,王忠民,王晨.基于WiFi的移動機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安郵電學院學報,2012,17(4):87-91.

        [9]擺云.基于Android開放平臺和無線通信網(wǎng)絡的實時音視頻傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].蘭州:蘭州大學,2012.

        [10]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

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